Thí nghiệm nghiên cứu ứng xử của công trình ngầm dưới tác dụng của động đất

KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

THÍ NGHIỆM BÀN RUNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA
CÔNG TRÌNH NGẦM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT
ThS. LÊ VĂN TUÂN
Viện Thủy công – Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam
GS. ZHENG YONG-LAI
Trường Đại học Đồng Tế, Trung Quốc

Tóm tắt: Bài báo trình bày thí nghiệm bàn
rung nghiên cứu ảnh hưởng của động đất tới kết
cấu công trình ngầm. Thí nghiệm thực hiện trên
mô hình kết cấu có tỷ lệ thu nhỏ hình học 1/30,
gồm 2 tầng 3 nhịp. Vật liệu làm mô hình là bê
tông cường độ thấp (micro-concrete) và sợi kẽm.
Gia tốc kích thích gồm 2 loại: Sóng El Centro và
sóng Shanghai. Các cảm biến được bố trí trong
đất và trên bề mặt kết cấu để ghi lại các phản
ứng gia tốc trong đất, gia tốc trên kết cấu và biến
dạng tại bề mặt kết cấu. Dựa trên số liệu thu
được, tiến hành đánh giá ứng xử của kết cấu
công trình ngầm dưới tác dụng của động đất. Kết
quả phân tích cho thấy, khi chịu kích thích động
đất, vị trí yếu và dễ bị phá hoại nhất trên kết cấu
là tại đỉnh và chân cột. Ngoài ra, ứng xử của kết
cấu ngầm phụ thuộc vào gia tốc đỉnh và tần số
của sóng kích thích.
Từ khoá: Thí nghiệm bàn rung, công trình
ngầm, động đất, El centro, Shanghai wave.
1. Mở đầu
Công trình ngầm ngày càng được xây dựng

rộng rãi, đặc biệt là hệ thống giao thông ngầm tại
các đô thị lớn nhằm giải quyết bài toán giao thông
khi dân số đô thị ngày một tăng. Vấn đề an toàn
của công trình ngầm dưới tác dụng của các loại
sóng kích thích từ các vụ nổ, từ xe cơ giới, đặc
biệt là ảnh hưởng của sóng động đất, từ trước
1995 chưa được quan tâm thoả đáng do quan
niệm cho rằng, khi có động đất, công trình ngầm
chuyển động cùng với đất nền xung quanh và
như vậy, động đất xảy ra thì công trình ngầm an
toàn hơn so với công trình trên mặt đất. Cho đến
khi trận động đất Hyogoken - Nanbu diễn ra ở
Nhật vào ngày 17 tháng 01 năm 1995 tàn phá
mạnh mẽ hệ thống tàu điện ngầm, các kết cấu
công trình ngầm, các loại đường ống…đã làm
thay đổi quan niệm cho rằng công trình ngầm an
toàn trước động đất [1, 2]. Các điều tra và nghiên

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016

cứu được thực hiện sau đó nhằm đánh giá, phân
tích cơ chế phá hoại, đưa ra phương pháp gia cố
[3÷6] và phương pháp thiết kế kháng chấn cho
công trình ngầm [7].
Các phương pháp chủ yếu đánh giá ảnh
hưởng của động đất đến kết cấu công trình bao
gồm: Phương pháp quan trắc nguyên trạng,
phương pháp thí nghiệm mô hình và phương
pháp phân tích lý thuyết. Trong đó phương pháp
thí nghiệm mô hình được sử dụng ngày càng

rộng rãi do có những ưu điểm như: Trực quan
quan sát cách thức và vị trí xung yếu trên kết cấu;
đánh giá đến tác động qua lại của hệ đất - kết
cấu dưới tác dụng của động đất [8]. Một số
nghiên cứu sử dụng bàn rung nghiên cứu ứng xử
của kết cấu ngầm dưới tác dụng của động đất,
tiêu biểu kể đến như tác giả Chen Guoxing và
cộng sự [9÷11] dựa trên mô hình tàu điện ngầm
đặt trong nền đất bão hoà để nghiên cứu phản
ứng của mô hình trạm tàu điện ngầm dưới tác
dụng của kích thích động đất có kể đến tác động
qua lại giữa đất - kết cấu. Jiang Luzhen và cộng
sự [12] sử dụng bàn rung và mô hình toán nghiên
cứu ứng xử kết cấu ngầm làm bằng bê tông cốt
thép có mặt cắt ngang dạng hộp, nhằm nghiên
cứu nội lực xuất hiện trong kết cấu, đồng thời so
sánh sự khác nhau giữa gia tốc đỉnh xuất hiện tại
các điểm trên kết cấu và gia tốc tại các điểm liền
kề trong đất.
Các nghiên cứu trên cho thấy, phản ứng của
kết cấu ngầm khi chịu tác dụng của động đất rất
phức tạp, đòi hỏi nhiều nghiên cứu sâu hơn nữa
cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm nhằm hiểu rõ hơn
về phản ứng của công trình ngầm khi động đất
xảy ra, đồng thời đưa ra các biện pháp kháng
chấn hiệu quả cho công trình ngầm. Nghiên cứu
này áp dụng phương pháp thí nghiệm mô hình để
đánh giá ứng xử của kết cấu ngầm dưới ảnh
hưởng của sóng kích thích động đất. Kết cấu

15


KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
ngầm cấu tạo gồm 2 tầng 3 nhịp, được làm từ bê
tông cường độ thấp (micro-concrete) và sợi kẽm
nhằm mô phỏng kết cấu ngầm trong thực tế. Tỷ
lệ hình học của mô hình và nguyên trạng là 1/30.
Thí nghiệm thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng
điểm quốc gia về động đất của trường đại học
Đồng Tế, Trung Quốc. Kết quả thí nghiệm làm tài
liệu tham khảo cho đánh giá kháng động đất các
công trình tương tự, cũng như một lần nữa
nghiệm chứng lại các lý thuyết nghiên cứu về
kháng chấn công trình ngầm.
2. Thiết bị thí nghiệm
2.1.

Bàn rung

Bàn rung sử dụng trong thí nghiệm có kích
thước 4mx4m, dùng điện và các pitong thuỷ lực
để tạo ra kích thích theo cả 3 phương. Bàn rung
có thể chịu tải trọng tối đa là 25 tấn, tạo ra gia tốc
lớn nhất theo phương ngang và phương đứng là
4g (g là gia tốc trọng trường), trong phạm vi dải
tần số từ 0.1Hz đến 50Hz. Hệ thống thu tín hiệu
có tối đa 128 cổng thu.
2.2.

Thùng chứa mô hình

Trong thí nghiệm sử dụng bàn rung, việc lựa
chọn hình thức thùng chứa là rất quan trọng, ảnh
hưởng đến kết quả thí nghiệm. Các loại thùng
chứa có thể chia ra thành 3 loại chính, bao gồm:
(1) thùng chứa dạng hộp làm bằng thép cứng; (2)
thùng chứa được ghép bằng các thanh thép cứng;
(3) thùng chứa dạng trụ tròn làm bằng vật liệu
mềm. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra, sử dụng
thùng chứa loại thứ 3 trong thí nghiệm bàn rung,
các thông số đo đạc từ thí nghiệm gần sát với mô
hình thực tế hơn so với sử dụng thùng chứa loại 1
và loại 2 (xem [13]). Do vậy, thí nghiệm này lựa
chọn chế tạo thùng chứa loại thứ 3.
Hình 1 và hình 2 cho thấy hình ảnh thực tế và
mặt cắt ngang thùng chứa sử dụng trong thí
nghiệm. Thùng chứa dạng trụ tròn đường kính
3m, cao 1.5m, thành làm bằng cao su dày 4mm,
được bao bọc bởi các vòng thép loại đường kính
6mm, mật độ 5cm/1 vòng. Thùng chứa được cố
định trong khung thép hàn bằng thép chữ L và
chữ I, đáy khung thép đổ 1 lớp bê tông dày 5cm.
Trên khung thép có các ốc vít để cổ định thùng
chứa và bàn rung.

Structure
Model soil

Hình 1. Thùng chứa mô hình thí nghiệm

2.3.

Mô hình thí nghiệm

Dựa trên nguyên mẫu thiết kế của một nhà
ga dọc tuyến tàu điện ngầm số 2 tại Thượng Hải,
thí nghiệm lựa chọn tỷ lệ tương đương hình học
là 1/30, sử dụng sợi kẽm và bê tông cường độ
thấp (micro-concrete) để chế tạo mô hình. Kích
thước tổng thể của mô hình: Dài x rộng x cao
tương ứng là 2170mm, 715mm và 371mm. Tiết
diện ngang của mô hình gồm có 2 tầng 3 gian.
Dọc theo chiều dài của mô hình gồm có 8 khoang
chia đều bởi 7 trụ có tiết diện ngang 24mm x
24mm. Bê tông cường độ thấp của mô hình có tỷ

16

Hình 2. Mặt cắt ngang thùng chứa

lệ trộn ximăng:cát:đá:nước = 1:6: 0.6:0.5. Thí
nghiệm nén mẫu bê tông kích thước 70.7 x 70.7 x
70.7mm để đo cường độ chịu nén cho kết quả
cường độ chịu nén của mẫu đạt xấp xỉ 12.4 MPa.
Nén mẫu kích thước 7.7 x 70.7 x 210mm cho kết
quả module đàn hồi của bê tông làm mô hình xấp
xỉ 11.8 GPa. Đường kính sợi kẽm gồm 4 loại có
đường kính từ 0.3mm đến 0.9 mm, bố trí như
sau: Sợi đường kính 0.9mm bố trí ở các trụ, sợi

đường kính 0.7mm bố trí ở tường bên, sợi đường
kính 0.5mm bố trí ở kết cấu đầu và chân trụ, sợi
0.3mm làm sợi cốt đai. Hình ảnh mô hình thí

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016


KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
nghiệm và kích thước mặt cắt ngang của mô hình

Hình 3. Hình ảnh mô hình thí nghiệm

3. Sơ đồ bố trí cảm biến
Hình 5 đến hình 9 là sơ đồ bố trí các cảm
biến đo, bao gồm: Cảm biến đo gia tốc (trong
đất và trên kết cấu) và cảm biến đo chuyển vị
tại các vị trí trên bề mặt kết cấu. Các cảm biến
được bố trí về hai phía của mô hình kết cấu mà
không bố trí ở mặt cắt chính giữa của kết cấu,
vì: (1) kích thước của mô hình kết cấu nhỏ,
thao tác để gắn các cảm biến vào các vị trí tại
mặt cắt chính giữa rất khó khăn, rất khó đạt
được độ chính xác cần thiết; (2) kết quả nghiên
cứu bằng mô hình toán cũng như các thí

như trên hình 3 và hình 4.

Hình 4. Kích thước mặt cắt ngang mô hình thí nghiệm

nghiệm tương tự trước đây cho thấy rằng, kết

cấu ngầm có 2 đầu ngàm cứng, từ khoảng cách
0.38b tính từ một đầu bất kỳ của kết cấu, với b
là độ rộng của kết cấu thì độ lệch giữa mômen
uốn lớn nhất tại các cột trụ nhỏ hơn 5% (xem
[14]) . Vì lý do đó, thí nghiệm sử dụng 2 tấm
nhựa tổng hợp dày 10mm chế tạo thành nắp
đậy nhằm ngàm 2 đầu kết cấu, trên tấm nhựa
khoan lỗ nhỏ để các dây nối với cảm biến luồn
qua kết nối vào hệ thống máy tính đo tín hiệu.
Các cảm biến được bố trí về hai phía của kết
cấu, như trên hình 5 đến hình 9.

D
S18~26

S1~17
C

B
A1~3

A4~7

A
1

2

10

3

4

5

6

7

11

8

9

Hình 5. Mặt bằng sơ đồ bố trí các cảm biến

S4
S1

S2
S3

S5

S6

S7

S15
S11

S8

S12

S9

S16
S13

S10

S14

S17

Hình 6. Sơ đồ bố trí cảm biến đo chuyển vị tại
mắt cắt trục số 2 (S1 đến S17)

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016

S18

S21

S24

S19

S22

S25

S20

S23

S26

Hình 7. Sơ đồ bố trí cảm biến đo chuyển vị tại
mắt cắt trục số 8 (S18 đến S26)

17


KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
As4x

As1x As1z

As5x
As6x

As2x As2z

As7x

As3x As3z

Hình 8. Sơ đồ bố trí cảm biến đo gia tốc trên kết
cấu tại mặt cắt trục số 3 (A1 đến A3)

Hình 9. Sơ đồ bố trí cảm biến đo gia tốc trên kết
cấu tại mặt cắt trục số 7 (A4 đến A7)

Af1
Af11x Af11z

Af1

Af2

Af3

Af5

Af4

Af9
Af0

A0

Hình 11. Mặt cắt sơ đồ bố trí cảm biến đo gia tốc
trong đất

Hình 10. Mặt bằng sơ đồ bố trí cảm biến đo
gia tốc trong đất

4. Sóng kích thích và các trường hợp thí nghiệm

0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4

El Centro

Acceleration (g)

Acceleration (g)

Gia tốc kích thích sử dụng trong thí nghiệm
bao gồm 2 loại: Gia tốc của trận động đất ở El
centro và gia tốc giả thiết của khu vực thành phố
Thượng Hải, Trung Quốc (sau đây gọi tắt là sóng
SHW). Trận động đất ở El centro, California (Mỹ)
xảy ra ngày 19 tháng 5 năm 1940 có cường độ

0

5

10

15 20 25
time (sec)

30

Hình 12. Gia tốc đồ của sóng El Centro

18

Ms=6.9 là một trong những trận động đất được
ghi lại đầy đủ nhất. Thời gian chuyển động mạnh
kéo dài 26 giây. Sóng SHW được chọn trong Quy
phạm thiết kế kháng chấn DGJ08-9-2013 [15] tại
khu vực Thượng Hải, địa chất nền là đất cấp IV.
Gia tốc đồ và phổ Fourier của sóng El Centro và
SHW như trên hình 12 đến hình 15.

35

0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
-0.01
-0.02
-0.03
-0.04

SHW

0

2

4
6
8
time (sec)

10

12

Hình 13. Gia tốc đồ của sóng SHW

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016


0.014
0.012
0.010
0.008
0.006
0.004
0.002
0.000

0.006
0.005
Amplitude

Amplitude

KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

0

5

10 15 20 25
Frequency (Hz)

0.004
0.003
0.002
0.001
0.000

30

0

10

20 30 40
Frequency (Hz)

50

60

Hình 15. Phổ gia tốc của sóng SHW
Hình 14. Phổ gia tốc của sóng El Centro
Từ các giá trị trên, giá trị gia tốc của các trường hợp thí nghiệm được điều chỉnh dựa trên phương pháp
đỉnh gia tốc nền (Peak Ground Acceleration - PGA). Các trường hợp thí nghiệm tương ứng với giá trị gia
tốc đỉnh như trong bảng 1.
Bảng 1. Giá trị gia tốc cực đại ứng với các trường hợp thí nghiệm
Ký hiệu

Phương

Gia tốc

1

El Centro wave

El2

0.229

Ngang

2

Shanghai wave

SH3

0.245

Ngang

3

El Centro wave

El7

0.42; 0.38

Ngang,
đứng

4

Shanghai wave

SH8

0.47; 0.32

Ngang,
đứng

5

El Centro wave

El10

0.99g

Ngang

6

Shanghai wave

SH11

0.95

Ngang

7

El Centro wave

El15

1.47

Ngang

8

Shanghai wave

SH16

1.34

Ngang

5. Kết quả thí nghiệm và phân tích
5.1.

Giá trị cực đại
(g)

STT

Gia tốc trong đất

Hình 16 đến hình 19 trình bày hệ số khuếch
đại gia tốc (AMF-Acceleration Magnification
Factor) của các điểm quan trắc trong đất ứng với
các trường hợp thí nghiệm. Cột bên trái biểu thị
hệ số khuếch đại gia tốc theo độ sâu ứng với các
giá trị gia tốc khác nhau. Cột bên phải là biến
thiên gia tốc theo thời gian tại các điểm quan trắc.
Từ các biểu đồ trên, có thể nhận thấy, đối
với sóng kích thích có đỉnh gia tốc nền (viết tắt là
PGA-Peak Ground Acceleration) nhỏ (như trường
hợp sóng El2, SH3, và El7, SH8), hệ số khuếch

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016

đại gia tốc AMF tăng từ đáy lên bề mặt đất mô
hình. Tại bề mặt đất, giá trị AMF nằm trong
khoảng từ 0.57 đến 0.85. Ngược lại đối với sóng
kích thích có PGA lớn hơn (trường hợp El10,
SH11 và El15, SH16), hệ số khuếch đại gia tốc
có xu hướng giảm dần từ đáy lên bề mặt. Điều
này được lý giải do ứng xử phi tuyến và mềm hóa
của đất mô hình khi chịu kích thích của sóng có
gia tốc lớn.
Ở các trường hợp thí nghiệm, khi sóng kích
thích có cùng độ lớn PGA, hệ số khuếch đại gia
tốc gây ra bởi sóng kích thích El bé hơn so với hệ
số khuếch đại gia tốc gây ra bởi sóng kích thích
SHW.

19


0.2

0.4
A5
El2
SH3

0.8

0.15

0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
-0.15
0

5
10
time (s)

1.2

1.4
A0

15

El2-A5

5
10
time (s)

0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

-0.05
-0.10
-0.15
0

20

SH3-A5

Acceleration (g)

0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
-0.15
-0.20
0

20

El2-A1

A9

1.0

10
15

time (s)

0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
-0.15
0

0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
-0.15
-0.20
-0.25
0

5

10
15
time (s)

20

15

20

SH3-A9

5
10
time (s)

15

20

SH3-A1

Acceleration (g)

Soil depth (m)

0.6

5

Acceleration (g)

1.2

A1

El2-A9

Acceleration (g)

Peak AMF
0.6 0.8 1.0

0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
-0.15
0

Acceleration (g)

0.4
0.0

Acceleration (g)

KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

5

10
time (s)

15

20

0.2

A5

Soil depth (m)

0.6

El7
SH8

0.8

Acceleration (g)

0.4

A9

El7-A9

5

0.30
0.25

0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
-0.15
-0.20
-0.25
-0.30
0

10
15
time (s)

20

El7-A1

5
10
time (s)

0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

-0.05
-0.10
-0.15
-0.20
0

Acceleration (g)

A1

0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
-0.15
-0.20
0

15

20

0.20
0.15
0.10
0.05
0.00

-0.05
-0.10
-0.15
-0.20
0

El7-A5

5
10
time (s)

15

20

SH8-A9

Acceleration (g)

Peak AMF
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0.0

Acceleration (g)

Hình 16. Hệ số khuếch đại gia tốc của các điểm trong đất ứng với sóng kích thích El2 và SH3

5
10

time (s)

15

20

1.0

1.2

1.4
A0

5

10
15
time (s)

20

0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
0

SH8-A1

Acceleration (g)

SH8-A5

Acceleration (g)

0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
-0.15
-0.20
-0.25
0

5

10
time (s)

15

20

Hình 17. Hệ số khuếch đại gia tốc của các điểm trong đất ứng với sóng kích thích El7 và SH8

20

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016


A1

0.2

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
0

El10-A9

5

10
15
time (s)

0.4

Acceleration (g)

Peak AMF
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0.0

Acceleration (g)

KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

20

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0
0

El10-A5

5
10

time (s)

15

20

0.8
A9

1.2

1.4
A0

Acceleration (g)

1.0

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
0

1.0

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0
0

El10-A1

5
10
time (s)

15

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8

-1.0
0

20

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0
0

SH11-A5

SH11-A9

Acceleration (g)

El10
SH11

5
10
time (s)

5

10
15
time (s)

20

15

20

SH11-A1

Acceleration (g)

Soil depth (m)

0.6

Acceleration (g)

A5

5

10
time (s)

15

20

0.4

Soil depth (m)

0.6

Acceleration (g)

A5
El15
SH16

0.8

5

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8

-1.0
0

1.2
0.8
0.4
0.0
-0.4
-0.8
-1.2
0

5
10
time (s)

1.4
A0

15

5

10
15
time (s)

20

1.2

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0
-1.2
0

El15-A5

5
10
time (s)

1.2
0.8
0.4
0.0
-0.4
-0.8
-1.2
0

20

SH16-A5

Acceleration (g)

1.2

20

El15-A1

A9

1.0

10
15
time (s)

Acceleration (g)

0.2

El15-A9

1.2
0.8
0.4
0.0
-0.4

-0.8
-1.2
0

15

20

SH16-A9

Acceleration (g)

A1

1.2
0.8
0.4
0.0
-0.4
-0.8
-1.2
0

5
10
time (s)

15

20

SH16-A1

Acceleration (g)

Peak AMF
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0.0

Acceleration (g)

Hình 18. Hệ số khuếch đại gia tốc của các điểm trong đất ứng với sóng kích thích El10 và SH11

5

10
time (s)

15

20

Hình 19. Hệ số khuếch đại gia tốc của các điểm trong đất ứng với sóng kích thích El15 và SH16

5.2.

Gia tốc tại các điểm trên kết cấu

Hình 20 biểu thị gia tốc đỉnh tại các điểm quan
trắc bố trí ở bản đáy, bản sàn tầng 2 và trần tầng

2 của kết cấu. Từ quan hệ trên nhận thấy, khi
đỉnh gia tốc nền, gia tốc trên kết cấu cũng tăng

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016

dần từ dưới lên trên, đạt giá trị lớn nhất tại trần
của tầng trên cùng kết cấu.
Độ lệch giữa đỉnh gia tốc tại trần tầng trên
và bản đáy tầng dưới tăng khi giá trị đỉnh gia tốc
nền tăng. Phân tích số liệu cho thấy, khi thí

21


KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG

Structure height (m)

0.30

0.35

As1

0.20
0.15

As2

0.10

0.05

As3

0.00
0.05 0.10 0.15 0.20
Peak acceleration (g)

0.25
0.20
0.15

As2

0.10
0.05
0.00

As3
0.1
0.2
0.3
Peak acceleration (g)

El10
SH11

0.35

As1

0.30

0.25

0.40

El7
SH8

0.40
0.35

As1

0.30
Structure height (m)

0.35

0.40

El2
SH3
Structure height (m)

0.40

Phân tích cũng cho thấy, khi kết cấu ngầm
chịu kích thích với cùng giá trị của đỉnh gia tốc

nền, gia tốc trên kết cấu gây ra bởi sóng El luôn
nhỏ hơn gia tốc gây ra bởi sóng SHW.

0.30

0.25
0.20
0.15

As2

0.10
0.05
As3
0.00
0.3 0.4 0.5 0.6
Peak acceleration (g)

Structure height (m)

nghiệm với sóng El2 và SH3, giá trị độ lệch
tương ứng là 1.87% và 4.73%. Tuy nhiên, giá trị
độ lệch tương ứng là 16.5% và 19.9% ứng với
trường hợp sóng kích thích El15 và SH16.

El15
SH16

As1

0.25
0.20
0.15

As2

0.10
0.05
0.00

As3
0.5 0.6 0.7
Peak acceleration (g)

Hình 20. Gia tốc đỉnh tại các điểm đo trên kết cấu ứng với các sóng kích thích khác nhau

5.3.

Biến dạng tại các điểm trên kết cấu

Hình 21 biểu thị biến dạng cực đại tại các vị
trí đo trên bề mặt kết cấu tương ứng với các
trường hợp sóng kích khác nhau. Trong thí
nghiệm, tại một số vị trí quan trắc hệ thống máy
tính không thu được tín hiệu từ cảm biến (no
signal).
Từ hình 21 có thể nhận thấy: Giá trị biến dạng
lớn nhất tại các vị trí đo trên kết cấu tăng khi đỉnh
gia tốc sóng kích thích tăng. Ứng với mỗi trường
hợp thí nghiệm, biến dạng tại đỉnh cột hoặc tại

chân cột đạt giá trị lớn nhất. Tại các điểm này, kết
cấu xuất hiện đồng thời cả biến dạng uốn và biến
dạng cắt, là vị trí yếu nhất của kết cấu khi kết cấu
chịu tác dụng của kích thích động đất. Dựa vào
26.77
463.26
31.27
37.54

67.4
84.52

kết quả trên có thể đưa ra các biện pháp kỹ thuật
làm giảm tác dụng của sóng kích thích động đất
lên kết cấu ngầm bằng cách tăng cường khả
năng chịu lực tại các vị trí đỉnh và chân cột.
Tại các vị trí gần góc của bản sàn và đỉnh
tường bên kết cấu, biến dạng đạt giá trị nhỏ nhất.
Điều này cho thấy, khi chịu kích thích động đất tại
các điểm sát góc của bàn sàn hoặc tại đỉnh
tường bên, lực uốn tăng thêm là nhỏ nhất.
Tại các vị trí quan trắc, khi chịu tác dụng của
cùng giá trị đỉnh gia tốc nền, biến dạng trên kết
cấu tương ứng với sóng kích thích El và sóng
SHW không khác nhau nhiều và biến thiên không
có quy luật rõ ràng.

59.32

135.96

12.04

106.24

125.17
no signal 100.5

5.56
173.42

380.74

219.6
8.44
no signal

240.64
3.92

no signal

29.81
24.53
473.12

68.68
94.06

57.4

165.99
105.6

22.76
236.59

a)

33.77

134.12

14.12

107.68

123.73
no signal 54.43

6.84
165.2

385.55

224.6
24.2
no signal

239.4

6.48

no signal 108.7

142.1

27.0
229.86

b)
22

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016


KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
32.78
482.74
14.19
32.33
121.4
no signal

72.05
110.9

57.8

131.71

17.89

142.9

34.86

11.85
6.47
138.05

386.51

231.3
16.7
no signal

231.71
11.61

no signal 107.4

215.67

35.51
498.4
11.39

75.1
119.8

58.84 131.47

17.89

36.3

54.0

c)

28.56

113.14

124.29
no signal 159.1

4.87
141.1

386.99 146.83

231.3
60.01
no signal

232.7
12.5

no signal

34.7
0.96

502.5

71.65
138.8

53.15 127.38

21.01

30.16

105.12

105.2

214.62

d)

120.92
no signal 195.6

6.04
109.26

388.68 141.53

43.68

231.2
23.36
no signal

223.2
6.64

no signal 111.9

195.78

e)
35.99
523.8
12.02
16.69

72.45
159.24

52.75

125.69

23.02

105.36

117.55
no signal 375.1

20.15
90.1

388.11 133.44

233.6
29.37
no signal

226.1
8.57

no signal

45.12

113.6

192.17

127.22

17.33

f)
40.48

521.9
21.48
23.19

78.63
168.9

56.76

107.6

110.82
no signal 319.8

30.17
65.4

385.95 144.74

44.16

235.8
21.7
no signal

220.7
14.1

no signal 109.8

189.93

41.12
29.26
548.47

77.1
183.54

57.16

126.26

18.13

143.38

45.2

g)

10.2

103.43

108.17
no signal 529.11

35.31
49.35

382.9

235.8
24.32
no signal

226.05
16.83

no signal 108.6

189.69

h)
Hình 21. Biến dạng cực đại tại các điểm đo trên kết cấu ứng với các trường hợp:
a) El2; b) SH3; c) El7; d) SH8; e) El10; f) SH11; g) El15; h) SH16

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016

23


KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG
6. Kết luận
Bài báo trình bày kết quả thí nghiệm sử dụng
bàn rung nghiên cứu ứng xử của kết cấu công
trình ngầm khi chịu tác dụng của kích thích động
đất. Các kết luận sau đây được rút ra từ thí
nghiệm:

Khi sóng kích thích có gia tốc đỉnh nhỏ (nhỏ
hơn 0.47g), hệ số khuếch đại gia tốc của các
điểm trong đất tăng dần từ đáy lên bề mặt đất mô
hình. Khi sóng kích thích có gia tốc đỉnh lớn (lớn
hơn 0.96g), hệ số khuếch đại gia tốc của các
điểm trong đất giảm dần từ đáy lên bề mặt đất.
Khi chịu kích thích của sóng có cùng độ lớn
gia tốc đỉnh, gia tốc tại bản đáy kết cấu là nhỏ
nhất, tăng dần ở bản sàn tầng trên và đạt giá trị
lớn nhất tại trần tầng trên của kết cấu. Độ lệch
giá trị gia tốc đỉnh tại trần và bản đáy của kết cấu
tăng khi gia tốc nền cực đại của sóng kích thích
tăng.
Biến dạng tại vị trí đỉnh và chân cột đạt giá trị
lớn nhất so với các vị trí còn lại trên kết cấu. Tại
các vị trí gần tường bên và bản sàn biến dạng
xuất hiện có giá trị bé nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lida H, Hiroto T, Yoshida N, Jwafuji M. “Damage
to Daikai subway station”, soils and foundations,
special issue on geotechnical aspects of the 17
January 1995 Hyogoken-Nambu Earthquak.
Japn Geotech Soc 1996:283-300.
[2] Yoshida N, Nakamura S (1996). "Damage to
Daikai subway station during the 1995
Hyogoken-Nunbu
earthquake
and
its
investigation". Eleventh World Conference on

Earthquake Engineering, Paper No. 2151.
[3] Xuehui An, Ashraf A, Shawky &Koichi Maekawa.
The collapse mechanism of a s``ubway station
during the great Hanshin earthquake. Cement
and concrete composites 19 (1997): 241-257.
[4] N.Yoshida, and S. Nakamura. “Damage to
Daikai subway station during the 1995
Hyogoken-Nambu
earthquake
and
its
investigation”. Eleventh World Conference on
Earthquak Engineering, 1996.
[5] Tiwatate, Y Kobayashi, H Kusu and K Rin. “Investigation and shaking table test of subway
structures of the Hyogoken-Nanbu earthquake”.

24

The 12 WCEE 2000.
[6] Zhuang Haiyang, Yu Xu, Zhu Chao, Jin Danda.
“Shaking table test for the seismic response of
a base-isolated structure with the SSI effect”.
Soil Dynamics and Earthquake Engineering 67
(2014): 208-218.
[7] Youself M.A. Hashash, Jeffrey J. Hook, Birger
Schmidt, John I-Chiang Yao. “Seimic design
and analysis of underground structures”.
Tunnelling and Underground Space Technology
16 (2001): 247-293.
[8] Zheng Yonglai. Yang Linde, Li Wenyi, Zhoujian.

Earthquake resistance of underground structure.
Tongji University Press (The second edition,
2010 (tiếng Trung)).
[9] Chen Guoxing, Chen Su, Zuo Xi, Du Xiuli, QI
Chengzhi, Wang Zhihua. Shaking table tests
and numerical simulaitons on a subway
structure in soft soil. Soil Dynamics and
Earthquake Engineering 76 (2015): 13-28.
[10] Guoxing Chen, Zhihua Wang, Xi Zuo, Xiuli Du,
Hongmei Gao. Shaking table test on the
seismic failure characteristics of a subway
station structure on liquefiable ground. Earthq
Eng Struct Dyn 2013;42(10):1489–507.
[11] Guoxing Chen, Haiyang Zhang, Xiuli Du, Liang
Li, Shaoge Cheng. Analysis of large-scale
shaking table test of dynamic soil-subway
station interaction. Earthq Eng Eng Vib
2007;27(2):171–6 (tiếng Trung).
[12] Jiang

Luzhen,

Chen

Jun,

Lijie.

“Seismic

response of underground utility tunnels: shaking
table testing and FEM analysis”. Earthquake
Engineering and Engineering Vibration 9 (2010):
555-567.
[13] Robb E. S. Moss, Steven Kuo and Victor
Crosariol. “Shaking table testing of seismic soilfoundation-structure-interaction”. Geo-Frontiers,
ASCE 2011, P4369-4377.
[14] Ji Quanqian. “Shaking table testing on
underground subway station structures”. Ph.D
dissertation. China: Tongji University: Shanghai,
June 2002.
[15] Code for seismic deign of buildings DGJ08-92013.
Ngày nhận bài:28/12/2015.
Ngày nhận bài sửa lần cuối: 29/02/2016.

Tạp chí KHCN Xây dựng – số 1/2016